蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校 謝留婉

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簡(jiǎn)易DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與研究

蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校 謝留婉

【摘要】本文介紹了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，結(jié)合8位并口輸入/輸出的28C64存儲(chǔ)器及D/A轉(zhuǎn)換的DDS合成技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。主要通過(guò)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制存儲(chǔ)器，按照一定的方式，對(duì)指定存儲(chǔ)器區(qū)域的波形數(shù)按照順序循環(huán)輸出給D/A轉(zhuǎn)換電路，再通過(guò)集成運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，在輸出級(jí)使用增益可控精密信號(hào)放大器，實(shí)現(xiàn)指定的波形輸出。本設(shè)計(jì)的DDS信號(hào)發(fā)生器，除了可以選擇不同類(lèi)型的波形輸出，而且還可做到精確控制其輸出的頻率和幅度。

【關(guān)鍵詞】DDS；信號(hào)發(fā)生器；設(shè)計(jì)；28C64；STC12C5A60S2

1　引言

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)是一種新型的頻率合成技術(shù)，具有較高的頻率分辨率，可以實(shí)現(xiàn)快速的頻率切換，并且在改變時(shí)能保持相位的連續(xù)，在波形的控制方面實(shí)現(xiàn)連續(xù)的可調(diào)［1］。因此，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)及設(shè)備的頻率源設(shè)計(jì)中，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

信號(hào)發(fā)生器同時(shí)也是電子工程師在電子產(chǎn)品研發(fā)、電路功能調(diào)試時(shí)的必備工具。而采用直接數(shù)字頻率合成型（DDS）技術(shù)的數(shù)字型信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案，與純硬件電路設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器相比，具有高精度、高可靠性、操作方便、價(jià)格便宜、智能化等特點(diǎn)，是智能化儀器的一個(gè)發(fā)展方向，具有一定的很高的實(shí)用價(jià)值。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是采用基于STC12C5A60S2型單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)單片機(jī)分析計(jì)算產(chǎn)生需要的任意波形數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到28C64存儲(chǔ)器中，然后控制存儲(chǔ)器按照一定的方式輸出波形數(shù)據(jù)給D/A轉(zhuǎn)換電路，最后通過(guò)集成運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)指定的波形輸出。為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性和一定的性價(jià)比，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)定為：可任意選擇輸出三種常規(guī)類(lèi)型（正弦波、方波、三角波），輸出頻率可調(diào)0～3000Hz，幅度可調(diào)0～5.00V，精度頻率誤差±0.1%，幅度誤差1%，矩形波占空比可調(diào)，為了能實(shí)現(xiàn)任意波形輸出，提高信號(hào)發(fā)生器的功能拓展，預(yù)留串口485接口可輸入任意波形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)任意波形輸出。以下將根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，介紹具體器件選型、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方案。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1STC12C5A60S2芯片簡(jiǎn)介［2］

STC12C5A60S2是STC發(fā)布的一款時(shí)鐘周期為1T的單片機(jī)，是加強(qiáng)型的51單片機(jī)，能夠兼容原來(lái)的傳統(tǒng)51內(nèi)核，時(shí)鐘速度是傳統(tǒng)51型單片機(jī)的12倍。內(nèi)部集成了上電復(fù)位芯片，兩路PWM輸出，10位 A/D轉(zhuǎn)換輸出，可以對(duì)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，擁有超強(qiáng)的抗干擾能力。

2.1.2存儲(chǔ)器AT28C64簡(jiǎn)介［3］

AT28C64是一種采用CMOS工藝制成的8K×8位28引腳的可用電擦除可編程存儲(chǔ)器E2PROM。其讀寫(xiě)像SRAM操作一樣，不需要外加任何元器件。ATMEL愛(ài)特梅爾公司的AT28C64的頁(yè)寄存器為64B。目前一般一個(gè)字節(jié)的接除和寫(xiě)訪問(wèn)時(shí)間為200B或1M，而最大頁(yè)寫(xiě)入周期（包括擦除和寫(xiě)入）時(shí)間不超過(guò)10ms。

2.1.3D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832簡(jiǎn)介［4］

DAC0832是CMOS工藝制造的8位D/A轉(zhuǎn)換器，屬于8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us，片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器。DAC0832與單片機(jī)接成數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入方式，當(dāng)單片機(jī)把一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入DAC寄存器時(shí)，DAC0832的輸出模擬電壓信號(hào)隨之對(duì)應(yīng)變化。

2.1.4硬件電路組成

根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求及技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC系列單片機(jī)STC12C5A60S2為核心，采用數(shù)字合成技術(shù)利用單片機(jī)直接產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，對(duì)于規(guī)則波形（正弦波、三角波、方波等）可預(yù)先使用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)控制讀取存儲(chǔ)器地址區(qū)域，控制輸出不同類(lèi)型的波形數(shù)據(jù)，同時(shí)還可通過(guò)485串口輸入特殊波形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)特殊波形輸出，單片機(jī)控制將數(shù)字量數(shù)據(jù)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)波形模擬量信號(hào)，考慮到輸出信號(hào)有足夠的幅度和精度，在輸出級(jí)配置高精度信號(hào)放大電路。設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路由開(kāi)關(guān)電源電路、單片機(jī)控制電路、存儲(chǔ)器模塊、D/A轉(zhuǎn)換電路、精密信號(hào)放大電路、TTL信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出電路、LCD液晶模塊、矩陣鍵盤(pán)、485通訊接口等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件電路主要功能模塊介紹：

單片機(jī)控制模塊：采用STC12C5A60S2型單片機(jī)，主要控制各功能模塊電路協(xié)同工作。如：驅(qū)動(dòng)LCD顯示波形輸出狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置窗口等信息；讀取矩陣鍵盤(pán)鍵碼進(jìn)行波形參數(shù)設(shè)置；判斷波形輸出類(lèi)型選擇讀取存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)；控制D/A轉(zhuǎn)換輸出波形的模擬量信號(hào)；控制精密信號(hào)放大器放大增益等。

LCD顯示電路：采用LCM12864點(diǎn)陣液晶顯示器，便于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確走時(shí)。為系統(tǒng)檢測(cè)出現(xiàn)危險(xiǎn)溫度時(shí)提高可靠時(shí)間依據(jù)。

存儲(chǔ)器：采用AT28C64存儲(chǔ)芯片，它是一種E2PROM存儲(chǔ)器，可以對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，且能做到掉電保護(hù)，在波形信號(hào)輸出階段，通過(guò)單片機(jī)控制其指定的存儲(chǔ)區(qū)域，將對(duì)應(yīng)的波形數(shù)據(jù)按照順序輸出給D/A轉(zhuǎn)換電路。

D/A轉(zhuǎn)換模塊：采用DAC0832芯片的八位D/A轉(zhuǎn)換，其具有并行輸入、轉(zhuǎn)換速度快、帶輸入緩存等特點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)器中輸出的數(shù)字量波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量信號(hào)，以產(chǎn)生連續(xù)的信號(hào)波形。

485串口通訊接口：實(shí)現(xiàn)特殊波形輸出，主要是對(duì)需要特殊形式的波形，通過(guò)串口直接將波形數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中。為系統(tǒng)提供功能拓展，提供信號(hào)產(chǎn)生的多樣性，以使系統(tǒng)能應(yīng)用到更多的場(chǎng)合。

精密信號(hào)放大器：主要負(fù)責(zé)將D/A轉(zhuǎn)換出的波形信號(hào)進(jìn)行線性放大，并能準(zhǔn)確控制放大增益，使輸出信號(hào)的幅度與設(shè)置的信號(hào)輸出幅度保持一致。

2.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要目的是使單片機(jī)芯片能實(shí)現(xiàn)控制硬件電路各部件協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，如：波形參數(shù)設(shè)置、波形顯示、波形輸出等功能。軟件設(shè)計(jì)思路是，程序一開(kāi)始先對(duì)各相關(guān)功能模塊進(jìn)行初始化；控制LCD顯示波形參數(shù)設(shè)置界面；接著程序開(kāi)始鍵盤(pán)檢測(cè)，判讀是否在進(jìn)行波形參數(shù)設(shè)置設(shè)定，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定參數(shù)確定輸出波形類(lèi)型、信號(hào)輸出幅度；系統(tǒng)當(dāng)前開(kāi)始判斷是否被設(shè)置為開(kāi)啟波形輸出允許狀態(tài)，若未開(kāi)啟輸出，則系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)重新檢測(cè)按鍵狀態(tài)，反之，則根據(jù)設(shè)定的波形輸出類(lèi)型確定訪問(wèn)存儲(chǔ)器地址區(qū)域，同時(shí)采用定時(shí)器中斷方法控制存儲(chǔ)器輸出的波形數(shù)據(jù)按照設(shè)置的頻率循環(huán)輸出；開(kāi)啟D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為平滑的模擬量波形信號(hào)輸出。

具體軟件流程圖如圖2所示：

圖2　軟件流程圖

預(yù)留串口通訊接口，實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)發(fā)送的特殊波形數(shù)據(jù)，將需要輸出特定的不規(guī)則波形，可將波形的數(shù)字量數(shù)據(jù)在上位機(jī)軟件上進(jìn)行編輯，然后發(fā)送到系統(tǒng)中，系統(tǒng)在存儲(chǔ)器中劃分出專(zhuān)用的存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行存儲(chǔ)，并按照參數(shù)設(shè)置要求，循環(huán)輸出對(duì)應(yīng)波形等。

為了提高輸出信號(hào)波形的完整性，規(guī)定了一個(gè)完整周期的波形數(shù)據(jù)為200個(gè)點(diǎn)，在控制信號(hào)輸出頻率是采用定時(shí)器定時(shí)中斷控制存儲(chǔ)器輸出波形數(shù)據(jù)，則輸出信號(hào)的頻率為f，則定時(shí)器的定時(shí)中斷時(shí)間為t=1/200f。對(duì)于矩形波信號(hào)輸出，可直接通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)中斷方式輸出高低電平，響應(yīng)速度更快、且占空比的控制可以直接在定時(shí)中斷過(guò)程中進(jìn)行處理。

3　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)介紹的簡(jiǎn)易DDS信號(hào)發(fā)生器具有波形輸出精度高、頻率穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、實(shí)用性強(qiáng)、擴(kuò)展性靈活的特點(diǎn)。同時(shí)本DDS信號(hào)發(fā)生器除了能產(chǎn)生規(guī)則波形輸出如正弦波、三角波、矩形波等，而且還可以通過(guò)串口接收特殊波形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸出特殊波形，基本實(shí)現(xiàn)任意波形而非輸出。大大提高了信號(hào)發(fā)生器的使用場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

［1］邵正途，高玉良.DDS/FPGA在信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，（1）82～84.

［2］STC12C5A60S2 DataSheet［Z］ . http：//www.stcmcu.com/.

［3］AT28C64 DataSheet［Z］.http：//www.atmel.com/.

［4］DAC0832 DataSheet［Z］.http：//www.national.com/.

作者簡(jiǎn)介：

謝留婉（1984-），男，江蘇蘇州人，大學(xué)本科，蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校講師。